陳 鯤 高孟潭

（中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081）

引言

小地震由于釋放的能量有限，基本上不太可能成災(zāi)，而大地震，特別是震級(jí)大于7.5級(jí)的地震已成為地震災(zāi)害的主要原因。中國(guó)位于世界兩大地震帶——環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，受太平洋板塊、印度板塊和菲律賓海板塊的擠壓，地震斷裂帶十分發(fā)育。這樣的地質(zhì)環(huán)境造成我國(guó)大地震（震級(jí)大于7.5級(jí)）分布廣、頻度高、活動(dòng)強(qiáng)、危害大（時(shí)振梁等，1973；馬宗晉等，1991；藺明河等，2006；張培震，2008）。

《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖（GB 18306-2001）》（國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2001）是以概率性地震危險(xiǎn)性分析方法，采用單一超越概率（50年10%）的加速度值確定的（高孟潭等，2006）。同時(shí)我國(guó)現(xiàn)行的《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖（GB 18306-2001）》（國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2001）、《建設(shè)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB J11-89）》（中華人民共和國(guó)建設(shè)部，1989）、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2001）》（中華人民共和國(guó)建設(shè)部，2001）、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2001）局部修訂》（中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等，2010）的抗震設(shè)防體系，是三水準(zhǔn)功能要求（即“小震不壞、中震可修、大震不倒”）和兩階段設(shè)計(jì)思想（即小震下的截面抗震驗(yàn)算和大震下的結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)算）。一般建設(shè)工程抗震設(shè)計(jì)時(shí)，是依據(jù)50年10%的地震動(dòng)參數(shù)值和加速度分區(qū)給定的地震影響系數(shù)最大值maxα來(lái)確定罕遇地震動(dòng)（50年超越概率2%）的設(shè)防值。

罕遇與極罕遇地震并不是不可能發(fā)生，只是發(fā)生的概率相對(duì)較小。近 50年來(lái)，破壞性地震中超過(guò)罕遇地震（大震）水平的特大地震多次發(fā)生（湯保新等，2011）。1966年邢臺(tái)地震，震區(qū)設(shè)防烈度為Ⅶ度，遭遇烈度X度；1975年海城地震，震區(qū)設(shè)防烈度為Ⅵ度，遭遇烈度Ⅸ—Ⅺ度；1976年唐山地震，震區(qū)設(shè)防烈度為Ⅵ度，遭遇烈度X—Ⅺ度；2008年汶川地震，震區(qū)設(shè)防烈度為Ⅶ—Ⅷ度，遭遇烈度Ⅸ—Ⅺ；2010年4月青海玉樹(shù)7.1級(jí)地震，震區(qū)設(shè)防烈度為Ⅶ度，遭遇烈度Ⅸ度。

總結(jié)和反思汶川地震的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，本文以第五代地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖中北川-映秀潛在震源區(qū)為例，探討了大地震震中附近不同概率水準(zhǔn)的地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果與大地震影響場(chǎng)給出的結(jié)果之間的關(guān)系，并對(duì)當(dāng)前抗震設(shè)防體系提出了初步的建議。

1 大地震與罕遇、極罕遇地震作用

本文所指“大地震”為震級(jí)大于等于 7.5級(jí)的地震。大地震作用是指震級(jí)大于等于 7.5級(jí)的確定性地震，通過(guò)地震動(dòng)衰減關(guān)系計(jì)算得到的地震動(dòng)參數(shù)影響場(chǎng)。而罕遇地震作用是指相應(yīng)于50年超越概率2%的地震動(dòng)；極罕遇地震作用是指相應(yīng)于年超越概率10-4的地震動(dòng)1中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2013．中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)報(bào)批稿.，通過(guò)概率地震危險(xiǎn)性分析方法得到。在設(shè)計(jì)工程時(shí)，希望了解工程使用壽命內(nèi)可能遭受的地震動(dòng)強(qiáng)弱以便做出設(shè)計(jì)決策，然而地震的發(fā)生和地震動(dòng)特征不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，只能使用概率語(yǔ)言來(lái)描述地震的危險(xiǎn)，這就是概率地震危險(xiǎn)性分析。概率性地震危險(xiǎn)性分析要求給出一個(gè)場(chǎng)點(diǎn)將來(lái)遭遇到超過(guò)給定地震動(dòng)值的概率，或者稱超越概率，常用地震動(dòng)超越概率曲線表示（胡聿賢，2006）。超越概率可以用年超越概率P1年表示，也可以用T年內(nèi)超越概率PT表示，如太原和昆明的超越概率曲線如圖1所示。工程設(shè)計(jì)者從超越概率曲線中可以讀出不同風(fēng)險(xiǎn)水平下的設(shè)防地震動(dòng)參數(shù)值，如50年超越概率63%、10%、2%和年超越概率1×10－4。進(jìn)而可以根據(jù)不同的風(fēng)險(xiǎn)承受能力選擇合適的地震動(dòng)設(shè)防參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 超越概率曲線示意圖Fig.1 Schematic diagram of probability of exceedance curve

從上述定義可以看出，它們既相互區(qū)別又相互聯(lián)系。“大地震”是具有確定性的震級(jí)下限明確的地震事件。而罕遇與極罕遇地震作用是從概率的角度來(lái)定義地震動(dòng)的大小。從防震減災(zāi)工程防御的角度所涉及到的“大地震”也主要是指地震作用，通常所說(shuō)的“抗6級(jí)地震”是指建筑物能抗御6級(jí)地震的作用。因此從工程抗震角度說(shuō)“抗大地震”或“防大地震”與罕遇、極罕遇地震作用一樣，其定義的內(nèi)涵均是指地震作用。

2 算例

本文所指“大地震作用”是震級(jí)大于7.5級(jí)確定性的地震事件的地震動(dòng)。本文以龍門山地震帶中段的北川-映秀潛在震源區(qū)為例說(shuō)明二者之間的差異。分別以傳統(tǒng)的特定場(chǎng)點(diǎn)的地震危險(xiǎn)性分析方法，計(jì)算不同超越概率水平（50年超越概率 10%、2%以及年超越概率 1×10－4）的峰值加速度分布，與利用確定性線源的地震動(dòng)參數(shù)（PGA）影響場(chǎng)進(jìn)行比較，揭示兩者之間的關(guān)系。

龍門山構(gòu)造帶中段發(fā)生過(guò)2008年5月12日8.0級(jí)地震，導(dǎo)致北川-映秀斷裂和彭縣-灌縣斷裂發(fā)生了同震地表破裂，破裂長(zhǎng)度達(dá) 220—240km，最大同震位錯(cuò)達(dá) 10m左右，因此該潛在震源區(qū)在第五代地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖中的震級(jí)上限確定為 8.0級(jí)。鑒于此本文概率性方法中使用的潛在震源區(qū)邊界及參數(shù)與汶川地震后中國(guó)地震局對(duì)第四代地震動(dòng)參數(shù)修改的1號(hào)修改單一致。確定性方法中地震的震級(jí)與該潛在震源區(qū)的震級(jí)上限一致，確定為8.0級(jí)。確定性方法使用線源發(fā)生模型，其發(fā)震斷層長(zhǎng)度利用 Wells等（1994）的關(guān)系得到，約為 200km。概率性和確定性方法所使用的地震動(dòng)參數(shù)衰減關(guān)系為汪素云等（2000）回歸得到的中國(guó)西部衰減關(guān)系，確定性方法使用的是中國(guó)西部長(zhǎng)軸方向的衰減關(guān)系。研究的區(qū)域范圍為東經(jīng)98.82°-109.2°，北緯27.2°-35.8°，如圖2所示。通過(guò)概率性地震危險(xiǎn)性分析方法計(jì)算 0.1°×0.1°均勻間隔的 8838個(gè)網(wǎng)格場(chǎng)點(diǎn)三個(gè)概率水準(zhǔn)（50年超越概率 10%、2%和年超越概率1×10－4）的地震動(dòng)參數(shù)值。然后進(jìn)行插值、等值線性化得到地震動(dòng)參數(shù)的空間分布，分別示于圖3a—c。確定性方法的結(jié)果是考慮確定性的震級(jí)大小以及各網(wǎng)格場(chǎng)點(diǎn)到線源的不同距離，利用加速度的衰減關(guān)系計(jì)算得到，其結(jié)果示于圖3d。

圖2 地震危險(xiǎn)性分析的研究區(qū)域Fig.2 Study area for seismic risk analysis

圖3 設(shè)防峰值加速度的結(jié)果（超越概率：a. 50年10%；b. 50年2%；c. 10000年1%；d. 確定性）（震級(jí)為8.0，線源長(zhǎng)度約200km）Fig. 3 The PGA contours predicted by the traditional seismic hazard analysis (probability of exceedance of a. 50 years, 10%; b. 50 years, 2%; c. 10000 years, 1%; and d. deterministic results with magnitude 8.0 and the length of line source about 200 km)

3 分析與討論

從圖3可以看出，隨著超越概率水平的減小，峰值加速度的值逐漸與確定性方法的結(jié)果接近。超越概率50年10%和2%的峰值加速度設(shè)防最大值分別為150gal和350gal以上，而確定性分析得到的峰值加速度最大值為650gal以上。超越概率50年10%的峰值加速度設(shè)防值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于確定性分析得到的結(jié)果，即使當(dāng)超越概率水平為50年2%時(shí)，概率性的設(shè)防峰值加速度也遠(yuǎn)低于確定性分析得到的結(jié)果。并且超越概率50年10%和2%的峰值加速度設(shè)防值中50gal以上的區(qū)域面積也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于確定性分析得到的結(jié)果。年超越概率1×10-4的水平，概率性方法的50gal以上的區(qū)域面積和空間展布大致與確定性分析得到的結(jié)果相當(dāng)，但是在震中附近，或者說(shuō)潛在震源區(qū)內(nèi)部其數(shù)值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于確定性分析得到的參數(shù)值。

因此，在抗震設(shè)防體系中應(yīng)考慮多個(gè)概率水準(zhǔn)的地震作用，包括罕遇或者極罕遇或更低概率水準(zhǔn)的大地震作用。否則如果像汶川地震一樣的大地震發(fā)生，就會(huì)造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失?？傮w上說(shuō)，“防大地震作用”就是在建（構(gòu)）筑物設(shè)計(jì)時(shí)考慮低超越概率風(fēng)險(xiǎn)水平的地震動(dòng)影響。

4 結(jié)論

本文以龍門山地震帶北川-映秀潛在震源區(qū)為例，利用概率性方法計(jì)算了不同超越概率水平的地震動(dòng)參數(shù)值，并與確定性方法的結(jié)果進(jìn)行了比較，得到了以下認(rèn)識(shí)：

（1）抗震設(shè)防體系中應(yīng)當(dāng)考慮極罕遇地震作用?！胺来蟮卣鹱饔谩睉?yīng)該考慮極低超越概率風(fēng)險(xiǎn)水平的地震動(dòng)。包括采取規(guī)避措施、合理的建筑選型和針對(duì)罕遇、極罕遇地震作用的抗震設(shè)計(jì)。

（2）在編制相關(guān)規(guī)劃中，如社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃、國(guó)土利用規(guī)劃、城鄉(xiāng)規(guī)劃、防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)規(guī)劃時(shí)，應(yīng)該考慮極罕遇地震動(dòng)的影響。并且地震應(yīng)急救援重要保障措施也應(yīng)該考慮極罕遇地震動(dòng)的影響，同時(shí)設(shè)防工程應(yīng)該考慮活動(dòng)斷層的避讓。

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